减少温室气体排放的煤炭开采碳足迹探讨

刘守全

（江煤贵州矿业集团有限责任公司， 贵州 贵阳 550000）

0 引言

人为活动影响生态、环境状况和气候变化，从而对世界人口的健康产生负面影响，缩短健康预期寿命，增加死亡率，恶化生活条件。人类活动产生的有毒排放物是造成环境变化的主要原因之一。自然温室效应为地球上生命的形成和保存创造了必要的环境，但它的增加破坏了区域和全球层面生态系统过程的平衡。

人类活动直接或间接产生的所有温室气体排放总量通常被称为碳足迹，碳足迹以二氧化碳当量（CO2e）表示，通过将特定温室气体的质量乘以其全球变暖潜势，它被认为相当于二氧化碳。不同的国家和不同的国际组织都有不同的规定计算碳足迹的方法，但目标是相同的——减少温室气体的负面影响。

煤矿开采释放出的甲烷被困在煤炭和周围的地层中，美国环境保护署预测，到2030 年，全球煤矿的甲烷排放量将超过7.843 亿t 二氧化碳当量。中国将占总数的55%以上，其次是美国（约10%）、俄罗斯（约7%）、澳大利亚（约5%）、乌克兰、印度和哈萨克斯坦（各约3%～4%）。全球排放量的变化主要是由煤炭使用的变化引起的，而石油和天然气使用的增长在20 世纪70 年代石油危机之后的1980 年以来并没有减弱。煤炭开采、加工企业和煤炭作为燃料的使用是温室气体的来源之一，同时煤尘污染环境，向地下水排放有毒元素等。许多分析人士认为，煤炭的使用可能已经达到顶峰。全球煤炭使用量的峰值在很大程度上取决于我国，我国占全球煤炭原材料使用量的50%。据预测，我国的经济和社会发展将在未来十年左右依赖煤炭。本研究旨在评估煤炭行业的现状，通过碳足迹研究煤矿企业对环境的影响程度，并考虑减少煤炭开采和使用所产生的负面后果的可能方法。

1 采煤业概况

世界上主要的煤炭开采国包括中国、美国、印度、澳大利亚和俄罗斯，除南极洲外，所有大陆都有已知的煤炭储量，但分布不均匀，北半球储量最高。但全球90%的煤炭储量集中在10 个国家（美国、俄罗斯、澳大利亚、中国、印度、印度尼西亚、德国、乌克兰、波兰和哈萨克斯坦）。黑煤的主要消费国是中国、美国、印度、南非、乌克兰、波兰和俄罗斯，褐煤的主要消费国是德国、中国、俄罗斯和美国。全球煤炭生产的规模与全球煤炭消费的规模大致相当。

1.1 煤炭工业生命周期的碳足迹

经济、科技的发展人口的增长和煤炭消费不断增加对环境造成了破坏。煤炭开采作为煤炭消费的主要环节，在煤炭消费产生的碳排放总量中占有重要地位。随着技术的不断发展，煤矿地下开采的过程正逐步实现机械化，向综采煤矿技术转变，目前已被广泛应用。地下煤矿开采产生的二氧化碳排放的主要来源包括能源利用、温室气体排放、煤炭自燃、废石和原煤等。

地下煤矿开采产生的二氧化碳排放的主要来源包括能源利用、温室气体排放、煤炭自燃、废石和原煤等。通常，煤矿中自发加热引起的火灾是由于煤层、储存区或运输过程中缓慢氧化造成的，煤在氧化过程中发生自发加热，其速率随温度的升高而增加。煤低温氧化初期的气态产物为CO、CO2和H2O，当温度升高时，CH4、H2和其他低分子量的碳氢化合物被释放出来。对煤炭自燃气体排放及其对环境的影响进行了一些研究，由于燃烧产生的许多气体是在传统的煤炭开采过程中形成的，但这些气体的浓度随环境变化而变化，因此没有统一的方法来评估煤炭氧化过程中的温室气体排放。

辅助元素也是二氧化碳排放的来源，如排水系统、通风系统、员工每天的能源消耗、办公空间消耗、运输系统等。在露天煤矿开采中，必须考虑到产生二氧化碳排放的以下几个阶段：露天煤矿采区调查、技术材料（混凝土、钢材等）的使用以及适当的机器（筑路机、挖掘机等），需要考虑现场破碎、装车、运输、顶板固定、处理煤等过程，所有的过程都会产生大量的二氧化碳。

机械的使用和煤气出口是该矿碳排放的主要来源：工作面广泛采用耗电的喷淋式泵站，减少粉尘量，产生温室气体排放；在地下煤矿开采过程中，甲烷会泄漏；爆破的性能导致了一定的碳排放。每吨煤的碳排放量为29.196 t，运输占地下煤矿总碳排放量的29%。煤炭企业需要通过矿井产生的甲烷二次利用来发电，并利用这些甲烷进行各种技术创新。

1.2 企业用煤对环境的负面影响

尽管国际社会在努力减少碳足迹，但燃煤电厂对环境的负面影响仍然很大。煤电厂严重污染饮用水和地下水，在煤矿附近的邻近河流在季风季节可能受砷、铬、锰污染，旱季可能受砷、铬、锰、铅、镍污染；地下水可能受到铬、铅、锰的污染，这些因素的存在对人的健康产生不利影响。

煤炭企业排放的废弃物对土壤造成了严重的污染，Zhang 对煤矿厂区土壤进行了评估，测定了6 种重金属（As、Pb、Cu、Zn、Mn 和Cd）及其潜在的环境风险，结果表明，镉、砷污染较为严重。砷、铅和镉的积累主要与人为来源有关，包括煤矿开采和燃烧，以及工业废气排放。Cu、Mn、Zn 主要来源于源物质（自然源），采矿改变了土壤的pH 值，土壤要么变成酸性，要么变成碱性，这使得植物和一些土壤微生物无法维持最佳的生存条件。

矿区的增加相应地减少了自然景观，人口过剩加上农业面积的减少，加剧了粮食生产问题。因此，Li 研究发现，在燃煤电厂附近种植的79%的蔬菜和67%的谷物中，汞含量超过了PTWI 食品安全标准，对当地居民的健康构成了重要威胁。与其他类型的工作相比，矿工患职业病的风险更高，尤其是呼吸系统疾病，职业病的风险不仅限于地下矿工，也延伸到露天矿工人。因此，发展创新现代化技术旨在减少煤炭企业有毒、致癌物质的排放。

2 减少煤炭企业对环境影响的措施

从开采到生产的所有阶段，煤炭都是温室气体的排放源。有两种方法可以解决碳足迹问题，即减少产生温室气体排放的生命过程的数量，或者消除这些排放。国际社会对碳足迹问题的态度模棱两可，一方面，他们提出了严厉的措施——完全不使用煤炭和一般的碳氢化合物，转而使用替代能源（太阳能、风能等）；另一方面，作为温室气体主要排放国之一，美国认为没有必要支持《巴黎协定》，于2017 年退出了《巴黎协定》。根据EPA 的数据，在过去20 年中，美国煤炭部门的甲烷排放量减少了40 Tg 二氧化碳当量（CO2e）。人们认为，这种减少是由于煤炭产量的减少和地下开采向露天开采的过渡。煤炭进出口双方的大多数人都同意：减少恢复环境措施的负面影响，因为大多数技术过程中的二氧化碳捕获技术都是相当昂贵的。持减少观念的人认为对环境的影响有许多不同的方法，方法可按应用区域（大气、水体和水生生物资源）和影响目标（生产或消费废物管理领域、土地复垦和保护、以及生物多样性保护的一般方法）。

在Holl 的工作中，制定了标准，对其进行评估是选择填海方法所必需的：恢复的目的（生态和社会）、周边景观、生态系统稳定性（生态系统在遭受破坏后恢复其原有结构和功能的程度和速度）、资源（修复的估计成本）。复垦方法分为物理、化学和生物三种，值得注意的是，这些方法结合使用效果最好，而不是单独使用。

物理方法（物理- 机械）旨在减少侵蚀，减少土壤压实同时提高其质量，为植被恢复创造条件。例如，这种方法是通过向土壤施用有机肥料（堆肥和石灰石）来实现的，并施用从附近地点带来的肥沃土壤。化学方法的目的是去除土壤中的污染物并恢复其pH值。大多数情况下，化学方法与物理方法密切相关。因此，化学方法包括向土壤中引入化肥（（氮、磷、钾）和重要微量元素（锌、铜、石灰等）。在物理和化学方法中，利用生物煤是一个很有前途的方向。生物煤是一种通过热解获得的添加剂（原料在低氧含量的环境下在300～800 ℃的温度下加热），向土壤中添加生物煤有助于碳捕获，增加土壤的pH 值，减少可溶性宏量营养素的淋失。换句话说，生物炭有可能增加土壤中的碳储量，提高其肥力，保持土壤生态系统的平衡，为增加产量开辟了前景。

生物方法（植物修复）建议将微生物或绿色植物引入土壤中，以进行植物提取和植物稳定。结果表明，该方法改善了土壤质量，加快了植被的恢复。Bolan 将植物提取（包括植物对重金属的吸收和转运）和植物稳定（植物和土壤添加剂通过根、芽或根际沉积的吸收和积累来固定重金属）描述为植物修复阶段。Masha还区分了根过滤和植物挥发，指出了植物提取的有效性。Mirza 综述了五种植物修复技术的特点。草、灌木、树木都可以作为复垦的植物对象，Li 提出使用土壤的本地代表作为开垦的植物对象，因为首先它们更有活力，其次外来植物物种会严重改变当地的生态系统。文献还研究了大麻（Cannabis sativa L.）对宾夕法尼亚州废弃煤矿土壤的生长和恢复能力，结果表明，这些植物对重金属具有较高的耐受性，这决定了它们在开垦荒地上的应用前景。

然而，令人担忧的是，受干扰土地上的植物在吸收了重金属后，可能通过进入动物体内而产生毒性作用。Bilski 研究表明，大麦、高粱、油菜籽、油菜、苜蓿和多年生黑麦草不积累金属，适合开垦受干扰的土地，这些植物生长在添加了煤灰的营养培养基上。研究发现，大麦和苏丹草即使生长在含有100%煤灰的培养基上，也不会积累有毒的重金属。

3 结论

在未来几十年里，完全放弃包括碳氢化合物在内的化石燃料作为一种能源是不可能的。尽管几十年来一直在解决碳足迹问题，但仍然没有一个通用的方法。对包括煤矿企业在内的企业提出了建议，但是没有一种完全禁止的方法是有效的。解决之道在于和谐，在于实现温室气体排放与沉积之间的平衡。在这种情况下，生物回收方法是最好的选择。碳多边形或者农场技术具有一定的发展前景，但其技术的发展需要对生物回收的各个阶段进行全面的研究。